Une pompe à chaleur CO₂ à double voie redéfinit l’efficacité thermique des véhicules électriques
L’industrie automobile est à un carrefour décisif, où l’électrification du parc mondial s’accélère à un rythme sans précédent. Pourtant, un défi persistant mine la confiance des consommateurs, particulièrement dans les régions aux hivers rigoureux : la gestion de la chaleur. Contrairement aux véhicules à moteur thermique, qui bénéficient du déchet thermique inévitable de leur fonctionnement, les véhicules électriques (VE) doivent produire toute la chaleur nécessaire pour le confort des passagers et la protection des composants critiques à partir de leur batterie de traction. Ce processus, lorsqu’il repose sur des solutions traditionnelles comme les résistances chauffantes PTC (Coefficient de Température Positif), est intrinsèquement inefficace. Le coefficient de performance (COP) d’une telle résistance est toujours inférieur à 1, signifiant qu’elle consomme plus d’énergie électrique qu’elle n’en produit sous forme de chaleur. Dans des conditions de grand froid, cette inefficacité peut réduire la portée annoncée d’un véhicule de près de la moitié, transformant un simple trajet en un calcul angoissant de la distance restante. Cette « anxiété de l’autonomie » reste un obstacle psychologique majeur à l’adoption massive des VE.
Face à ce défi, la technologie de la pompe à chaleur émerge comme une solution de rupture. Plutôt que de générer de la chaleur, les pompes à chaleur la déplacent, extrayant de l’énergie thermique de l’air ambiant froid, même à des températures négatives, et en élevant la température de ce flux pour le redistribuer à l’intérieur du véhicule. Ce processus, fondé sur des principes thermodynamiques fondamentaux, peut atteindre des coefficients de performance (COP) supérieurs à 3. Cela signifie que pour chaque unité d’énergie électrique consommée par le compresseur, le système peut délivrer trois unités ou plus d’énergie thermique. Cette efficacité supérieure en fait un composant incontournable pour les véhicules électriques de nouvelle génération, où chaque watt-heure économisé se traduit directement par des kilomètres supplémentaires parcourus.
Le choix du fluide frigorigène est un élément déterminant pour le succès d’une pompe à chaleur automobile, surtout en termes de performance à basse température. Les fluides traditionnels comme le R134a ont été progressivement éliminés en raison de leur potentiel de réchauffement global (PRG) élevé. Son remplaçant, le R1234yf, bien que plus respectueux de l’environnement, n’offre pas d’amélioration significative de la performance de chauffage dans des climats froids. C’est dans ce contexte que le dioxyde de carbone (CO₂), également connu sous le nom de R744, s’impose comme un candidat idéal. Le CO₂ est un fluide naturel, non toxique, non inflammable et possède un PRG de seulement 1, le rendant parfaitement aligné avec les réglementations environnementales les plus strictes. Mais son avantage ne se limite pas à sa neutralité climatique. Le CO₂ opère dans un cycle transcritique, ce qui lui permet de maintenir une capacité de chauffage élevée même à des températures ambiantes très basses, surpassant largement les fluides conventionnels. Son comportement dans le refroidisseur de gaz (le condenseur à haute pression) est caractérisé par un important « glissement de température », permettant un transfert de chaleur plus complet et plus efficace qu’avec la condensation quasi-isotherme des fluides traditionnels.
Cependant, une lacune majeure persiste dans de nombreux systèmes de pompe à chaleur actuels : leur focalisation exclusive sur le confort des passagers. Le système de gestion thermique de la batterie haute tension, élément vital pour la sécurité, la performance et la longévité du véhicule, est souvent traité comme un système séparé, utilisant des résistances électriques additionnelles. Cette approche fragmentée gaspille une opportunité d’efficacité. La batterie lithium-ion est extrêmement sensible aux températures extrêmes. À basse température, sa capacité de décharge chute drastiquement. Par exemple, à -10 °C, une batterie fonctionnant à un taux de décharge de 2C peut perdre plus de la moitié de sa capacité nominale, ce qui affecte directement la puissance disponible et l’autonomie. Inversement, des températures excessivement élevées accélèrent le vieillissement de la batterie. Il est donc crucial de maintenir la batterie dans une fenêtre thermique optimale, généralement comprise entre 20 °C et 40 °C. Chauffer la batterie à froid est donc essentiel, mais si cela est fait avec des résistances PTC, cela double la charge énergétique sur la batterie, annulant en grande partie les gains d’efficacité apportés par la pompe à chaleur pour l’habitacle.
C’est précisément pour résoudre ce dilemme énergétique que la recherche menée par la Docteure Wu Yue de SAIC Volkswagen Automotive Company apporte une réponse innovante et intégrée. Dans une étude publiée dans le Chinese Journal of Refrigeration Technology, elle présente un système de pompe à chaleur au CO₂ à double voie, une solution holistique conçue pour chauffer simultanément l’habitacle des passagers et la batterie du véhicule, le tout avec une efficacité énergétique maximale. Ce système ne se contente pas de chauffer l’intérieur ; il révolutionne la gestion thermique globale du véhicule en exploitant la haute efficacité de la pompe à chaleur pour gérer deux des fonctions les plus énergivores du VE avec un seul système centralisé.
L’architecture du système est à la fois ingénieuse et pratique. Le circuit frigorifique au CO₂ se divise en deux branches parallèles après le compresseur. La première branche, dédiée au chauffage de l’habitacle, achemine le CO₂ chaud et à haute pression vers un échangeur de chaleur interne (dans l’unité de climatisation), où il cède sa chaleur à l’air soufflé par les ventilateurs vers les occupants. La seconde branche, destinée à la batterie, dirige le CO₂ vers un échangeur de chaleur à plaques, où il transfère sa chaleur au liquide caloporteur qui circule dans le pack batterie. Cette configuration parallèle permet une distribution flexible et contrôlée de la chaleur produite.
Le véritable génie du système réside dans son système de contrôle sophistiqué, basé sur quatre vannes d’expansion électroniques (EEV). Ces composants sont les acteurs clés qui permettent au système de s’adapter dynamiquement aux besoins du véhicule. Une EEV sur la branche d’air régule le débit de fluide frigorigène vers le chauffage de l’habitacle. Une EEV principale, située après le point de recombinaison des deux branches, contrôle le débit total de fluide frigorigène et la pression générale du système. Les deux EEV restantes sont placées sur la branche d’eau (celle de la batterie) : une avant et une après l’échangeur à plaques. Cette configuration à double vanne sur la branche de la batterie est la clé d’un contrôle fin et granulaire, permettant de moduler avec précision le débit à travers l’échangeur et, par conséquent, la quantité de chaleur transférée à la batterie.
Pour valider les performances de ce système innovant, la Docteure Wu Yue et son équipe ont mis en place un banc d’essai dédié, reproduisant fidèlement les conditions opérationnelles d’un véhicule électrique dans un environnement contrôlé. Grâce à une série d’expériences rigoureuses, ils ont analysé l’impact des ouvertures des différentes EEV et de la température du liquide caloporteur en entrée de l’échangeur de la batterie sur la capacité de chauffage totale et sur le COP du système. Les résultats de ces tests ont fourni des indications précieuses pour l’optimisation et la stratégie de contrôle du système.
L’un des résultats les plus significatifs concerne la EEV de la branche d’air. Les expériences ont montré qu’en augmentant l’ouverture de cette vanne, la capacité de chauffage de l’habitacle augmente initialement. Toutefois, ce bénéfice a une limite. Lorsque l’ouverture dépasse 70 %, la capacité de chauffage de l’habitacle cesse de croître et commence même à diminuer, tandis que la capacité de chauffage totale du système et le COP chutent. Cette baisse de performance est due à un problème d’équilibre de débit : une ouverture excessive sur la branche d’air « détourne » trop de fluide frigorigène de la branche d’eau. Comme l’échange de chaleur avec un liquide (le caloporteur de la batterie) est beaucoup plus efficace qu’avec un gaz (l’air), cet déséquilibre entraîne une perte nette de chaleur totale. L’étude conclut donc que l’ouverture de la EEV d’air ne devrait pas dépasser 70 % pour maximiser l’efficacité globale du système. Un avantage supplémentaire est qu’en réglant cette vanne, on peut également contrôler la pression en aval, protégeant ainsi l’évaporateur suivant des pics de pression.
La EEV principale s’est révélée cruciale pour l’optimisation des performances globales du système dans différentes conditions ambiantes. Lors des tests à une température extérieure de -12 °C, il a été découvert qu’une ouverture de 30 % de la EEV principale produisait la capacité de chauffage maximale et le meilleur COP. À ce point, la pression du système et le degré de surchauffe du fluide frigorigène étaient optimisés pour un fonctionnement efficace du compresseur et un transfert de chaleur maximal dans le refroidisseur de gaz. Toute déviation de ce point optimal, en ouvrant ou en fermant trop la vanne, entraînait des performances suboptimales, soulignant la sensibilité des systèmes au CO₂ aux conditions de fonctionnement.
Les deux EEV sur la branche d’eau se sont révélées être un outil de contrôle extrêmement puissant. En réglant leurs ouvertures, le système peut moduler avec précision le débit de fluide frigorigène vers l’échangeur à plaques et, par conséquent, la quantité de chaleur transférée au liquide de la batterie. Les données expérimentales sont éloquentes. En faisant varier l’ouverture de la EEV arrière entre 30 % et 100 %, la proportion de la capacité de chauffage totale dirigée vers la batterie est passée de 52 % à 71 %, et le COP du système est passé de 2,1 à 2,8. Une optimisation encore plus efficace a été atteinte avec la EEV avant : en augmentant son ouverture, la proportion de chauffage de la batterie est montée à 77 % et le COP a atteint un impressionnant 3,1. Cela démontre que le système peut prioriser activement le chauffage de la batterie lorsqu’il est le plus critique, comme au démarrage à froid, sans sacrifier l’efficacité énergétique.
Un autre aspect fondamental mis en lumière par l’étude est la stabilité thermique du système face aux changements de la température du liquide caloporteur. Alors que la batterie se réchauffe pendant l’utilisation, la température du liquide entrant dans l’échangeur à plaques passe de valeurs négatives à des températures positives. L’étude a montré que lorsque la température d’entrée est passée de -16 °C à 0 °C, la capacité de chauffage totale du système a varié de moins de 5 % et le COP de moins de 8 %. Cette robustesse thermique est vitale pour la faisabilité du système dans le monde réel, car cela signifie qu’il peut maintenir des performances constantes sans avoir besoin de recalibrations constantes, simplifiant considérablement l’intégration au logiciel de gestion thermique du véhicule.
Les implications de cette recherche sont profondes. En permettant un chauffage simultané et efficace de l’habitacle et de la batterie, le système à double voie de la Docteure Wu Yue peut réduire significativement la charge énergétique sur la batterie haute tension. Cela se traduit directement par une autonomie accrue, surtout dans les conditions hivernales où la demande de chauffage est la plus élevée. Pour les consommateurs, cela signifie une expérience de conduite plus fiable et moins de soucis de panne sèche. Pour les constructeurs automobiles, cela représente un avantage concurrentiel clair sur les marchés où l’efficacité énergétique et le confort thermique sont des facteurs déterminants d’achat.
De plus, l’utilisation du CO₂ comme fluide frigorigène aligne parfaitement cette technologie sur les objectifs mondiaux de durabilité. Alors que les réglementations deviennent de plus en plus strictes à l’égard des fluides à PRG élevé, les systèmes basés sur le CO₂ sont destinés à devenir la norme de l’industrie. Cette technologie est déjà adoptée par des marques premium comme Tesla, BMW et Volkswagen, où l’efficacité et la responsabilité environnementale sont des priorités absolues.
Le travail de la Docteure Wu souligne également l’importance d’une approche systémique dans la conception des véhicules. Au lieu de traiter la climatisation de l’habitacle et la gestion thermique de la batterie comme des systèmes isolés, l’approche à double voie les intègre dans un réseau unifié et intelligent. Cette stratégie holistique améliore non seulement l’efficacité énergétique, mais réduit également le nombre de composants, le poids et la complexité, des éléments bénéfiques pour la production et la conception.
En conclusion, le système de pompe à chaleur au CO₂ à double voie développé par la Docteure Wu Yue et son équipe chez SAIC Volkswagen Automotive Company représente un progrès significatif dans la gestion thermique des véhicules électriques. En abordant simultanément les besoins de confort des occupants et de performance de la batterie avec une efficacité supérieure, il offre une solution pratique et durable à l’un des principaux obstacles à l’adoption massive de la mobilité électrique. Alors que l’industrie poursuit sa transition vers l’électrification, des innovations comme celle-ci seront fondamentales pour garantir que les véhicules électriques ne soient pas seulement une option écologique, mais aussi un choix pratique, confortable et fiable dans toutes les conditions climatiques.
Study on Performance of Two-way Heating CO₂ Heat Pump System for Electric Vehicles by Wu Yue from SAIC Volkswagen Automotive Company, published in Chinese Journal of Refrigeration Technology (doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2024.02.204)